ПЛ. Борщ, В.Ю. Семенов, м.Київ

Металошукачі (металодетектори, реєстратори металевих і струмопровідних включень в непровідних або слабопроводящіх середовищах) широко застосовуються в різних областях діяльності людини: в деревообробній промисловості для реєстрації осколків і цвяхів у вихідних матеріалах; у фармакології та харчової промисловості для виявлення металевих об'єктів у готовій продукції; в геологорозвідці, археології, екологічних дослідженнях, при будівельних роботах для пошуку кабелів і трубопроводів; при прикордонному і митному огляді людей і вантажів, а також у багатьох інших випадках.

   

   

У радіотехнічної та спеціальній літературі, присвяченій металошукачі (МІ), наводяться описи приладів, що використовують різні принципи: МІ на "биттях"; МІ на "втрати"; частотні МІ, що використовують метод індуктивного рівноваги (т.зв. "індуктивний баланс"), метод перехідних процесів (імпульсні), принцип "передавач-приймач", параметричний принцип, який використовує приймально-передавальні рамки, розміщені в одному датчику або рознесені на деяку відстань і т.п.

Таке розмаїття назв ускладнює вибір приладу для вирішення конкретного завдання і оцінку його можливостей. Тому за характером взаємодії приладу і об'єкта і способу реєстрації сигналу від об'єкта слід виділити два основні класи металошукачів: параметричні і локаційні.

У приладах параметричного типу шуканий об'єкт, що знаходиться в зоні дії приладу, змінює параметри датчика (наприклад, індуктивність і добротність котушки індуктивності, коефіцієнт магнітної зв'язку системи зв'язаних контурів). До цього класу можна віднести МІ на "биттях", частотні МИ, МІ на "втрати" і ін

Прилади локаційного типу створюють первинне електромагнітне поле, яке породжує у шуканому об'єкті вихрові струми, і реєструють вторинне поле, створюване цими струмами. До цього класу відносяться прилади, що використовують метод індуктивного рівноваги ("індуктивний баланс"), метод перехідних процесів (імпульсний), а також принцип "передавач-приймач".

Як датчики електронних МІ використовують магнітні рамкові антени (МРА) різних конструкцій (рис.1). Одиночну МРА (рис.1, а) найчастіше застосовують в параметричних МИ, а також у локаційних приладах імпульсного типу, інші МРА (рис.1, б-д) зазвичай застосовуються в різних локаційних приладах, рідше в параметричних в якості системи зв'язаних контурів. На рис.1 наведені далеко не всі можливі конструкції антен, відома, наприклад, трехрамочная конструкція датчика, однак через складність балансування та її довготривалої нестабільності застосовується рідко.

При виготовленні датчиків використовують статичне екранування МРА шляхом обмотки витків по периметру тонкої металевою фольгою без освіти короткозамк-нутого витка по контуру екрана (Така міра необхідна для зменшення впливу паразитної ємності поверхні грунту на параметри котушок індуктивності). Для досягнення високої довгострокової стабільності параметрів застосовують просочення котушок спеціальними складами, а також жорстке кріплення рамок у корпусі датчика.

Для оцінки чутливості приладів необхідно враховувати наступні співвідношення [1]: напруженість магнітного поля Н на осі кругового витка радіуса R з струмом I на відстані I від центру витка дорівнює

Звідси видно, що для / »R напруженість Н зменшується пропорційно кубу відстані, а для 0

У приладах локаційного типу, що реєструють сигнал вторинного поля від об'єкта, відбувається наступне: вихрові струми в об'єкті також є круговими, отже, вторинне поле, породжене ними, убуває також пропорційно кубу відстані між об'єктом і датчиком, а так як вторинне поле є функцією первинного, то його сигнал зменшується пропорційно шостого ступеня збільшення відстані, що підтверджується експериментально. Також встановлено, що величина сигналу від об'єкта пропорційна кубу його лінійних розмірів.

Наприклад, сигнал від предмета, віддаленого від датчика на 200 мм, буде в 64 рази (26) слабкіше, ніж від такого ж металевого предмета, що знаходиться на відстані

   

   

100 мм; сигнал від металевого диска діаметром 25 мм буде в 8 разів (23) менше, ніж від диска діаметром 50 мм такої ж товщини і знаходиться на тій же відстані від датчика.

На рис.2 наведена розрахункова залежність граничної дальності (глибини) виявлення об'єктів від його лінійних розмірів у відносних одиницях. Наприклад, якщо гранична дальність виявлення мідного диска діаметром 25 мм (Аотн = 1) дорівнює 150 мм (1отн = 1), то диск діаметром 100 мм (Аотн = 4) можна виявити на відстані 300 мм (1отн = 2), а диск діаметром 400 мм (Аотн = 16 ) – на відстані 600 мм (1отн = 4). При практичній оцінці чутливості приладів зручно користуватися трьома еквівалентами об'єктів: мідним диском діаметром 25 мм і товщиною 1 мм, алюмінієвої пластиною 100х100х1 мм і сталевий пластиною 400х400х2 мм. Співвідношення дальностей виявлення цих предметів 1:2:4 зазвичай відрізняється від ідеального на 15-20%, що цілком прийнятно для вимірювань на повітрі. Реальна чутливість МІ залежить також від обсягу об'єкта, типу металу (чорний або кольоровий), його електропровідності і загасання сигналу в грунті, впливу слабких струмопровідних властивостей грунту і його неоднороднос-тей.

Збільшення чутливості пов'язано з певними труднощами. Так, збільшення електричної чутливості вимірювальної частини в 4 рази підвищує дальність виявлення всього в 1,25 рази (41 / 6). А для підвищення дальності вдвічі чутливість необхідно збільшити в 64 рази, крім того вжити додаткових заходів для компенсації впливу чинників, що заважають (температурних дрейфов вимірника, впливу грунту тощо).

Параметричні МІ. На рис.3 показана структурна схема приладу "на биття". У змішувач З надходять сигнали від двох генераторів – опорного Гоп і перебудовується Гп (з виносною пошукової рамкою L). Зміна частоти Гп під дією об'єкта пошуку викликає поява різницевої частоти на виході С, і в головних телефонах ТЛФ з'являється звук.

На рис.4 показана структурна схема приладу, що використовує частотний метод. Сигнал з перебудовується генератора Гп (з пошуковою рамкою L) надходить на частотний детектор ЧД і далі на індикатор І, що дозволяє ре

гістріровать зміна частоти Гп. Для підвищення чутливості цих приладів пошукова рамка L може входити до складу ЧД як перебудовується контуру, а замість Гп використовують опорний генератор з високою стабільністю частоти.

В обох схемах відбувається зміна індуктивності рамки L під впливом металевого об'єкту, а отже, частоти генератора Гп. Ці прилади дозволяють розрізняти чорні та кольорові метали у напрямку зміни частоти. Чорні метали збільшують індуктивність датчика, що призводить до зниження частоти. Кольорові метали зменшують індуктивність, що призводить до підвищення частоти. У МІ "на биття" напрям зміни різницевої частоти залежить від початкового співвідношення частот двох генераторів, що встановлюється оператором.

На рис.5 зображена схема МІ "на втратах". Поява металевого об'єкту в поле рамки L призводить до збільшення втрат через появу вихрових струмів в об'єкті. Тому на амплитудном детекторі АТ сигнал зменшується, що фіксується індикатором І. Такі МІ не можуть розрізняти чорні і кольорові метали.

У параметричних приладах є сильна залежність чутливості від співвідношення розмірів пошукової рамки і об'єкта. Для пошуку дрібних предметів (цвяхів, шурупів, монет) застосовують датчики діаметром 25 … 100 мм, для пошуку великих предметів (пластин, кришок люків)-діаметром 200 … 300 мм. Робочий діапазон цих приладів

   

50 … 500 кГц. У цьому діапазоні вплив грунту і його неодно-родностей досить значно, причому з підвищенням частоти чутливість до чорних металів зростає, але також зростає і паразитне вплив грунту. Тому часто застосовують пошукові генератори, що працюють на більш низьких частотах 15 … 50 кГц, а для підвищення чутливості, наприклад, у приладах "на биття" застосовують порівняння частот вищих гармонік пошукового генератора з високою частотою опорного генератора (500 … 1000 кГц). Опис кращих переносних приладів цього типу наведено в [2, 3], їх максимальна дальність виявлення: мідної монети 25ммх1 мм – 8 … 10 см, алюмінієвої пластини 100х100х1 мм – 15 … 20 см, сталевий кришки люка діаметром 600 мм і товщиною 25 мм – 60 … 80 см. Незважаючи на настільки невисокі дальності, параметричні прилади відрізняються простотою і малою споживаною потужністю, що робить їх оптимальними для багатьох застосувань.

Значне збільшення глибини виявлення металевих об'єктів можна реалізувати в локаційних приладах, в деяких з них можна реалізувати режим розрізнення чорних і кольорових металів.

Локаційні МІ. У цих приладах застосовують два види порушення: моночастотний, що використовує синусоїдальний сигнал, і імпульсний, що використовує відеоімпульси з широким спектром. У моночастотних приладах для одержання максимальної чутливості до об'єктів будь-яких розмірів застосовують компактні датчики з малим розносом передавальних і прийомних антен (см рис.1, б, в, д), а для ігнорування дрібних об'єктів використовують датчики з великим розносом антен (рис.1, г). В імпульсних МІ використовують як поодинокі приемопередающие антени (рис.1, а), так і роздільні приймальні та передавальні співвісні концентричні рамки, розташовані одна в іншій. Датчики з великим розносом антени в імпульсних приладах застосовують рідко, так як ігнорування дрібних металевих об'єктів легко здійснити оперативними зміною параметрів приймального тракту.

Локаційні прилади випускають багато відомих фірм. Кращі моделі можуть реєструвати дрібні предмети (монети) на глибині 30 … 40 см, а великі – на глибині до 2 м і більше. Великі предмети найкраще виявляють прилади з рознесеними прийомними і передавальними антенами (рис.1, г).

На рис.6 показана структурна схема локаційного МІ з використанням синусоїдального сигналу для порушення первинного поля. Сигнал генератора Г надходить на антену L1, що створює первинне електромагнітне поле. Сигнал вторинного поля від шуканого об'єкта приймається магнітної антеною L2, розташованої геометрично ортогонально L1, потім надходить на вузькосмуговий підсилювач УУ, де здійснюється фільтрація від перешкод і посилення, а також підсумовування з сигналом генератора Г через електричний компенсатор ЕК. Після випрямлення в детекторі Д сигнал надходить на підсилювач постійного струму ППС з компенсацією постійного зміщення або автоматичною

корекцією нуля. До виходу УПТ підключений індикатор І.

На рис.7 показана структурна схема локаційного МІ, що працює за методом перехідних процесів і використовує імпульсний сигнал для порушення первинного поля. Ключ S, керований пристроєм синхронізації СУ, формує імпульс струму від джерела постійної напруги ІСН через приемопередающих антену L, чим створюється імпульс первинного поля.

Після впливу імпульсу струму сума напруги перехідного процесу в котушці L і прийнятого нею сигналу вторинного поля подається через резистивно-діодний обмежувач на вхід широкосмугового підсилювача ШУ, де здійснюється його посилення.

Синхронізуючий пристрій може керувати додаткової блокуванням входу ШУ і включати імпульсну корекцію нуля ШУ. Посилений сигнал надходить на пристрій вибірки і зберігання ПВЗ, кероване СУ, де здійснюється виділення сигналу вторинного поля. Виділений сигнал надходить на вхід підсилювача постійного струму ППС з компенсацією постійного зміщення або автоматичною корекцією нуля і потім на індикатор І.

Локаційні прилади здійснюють вплив на об'єкт первинним полем, створюваним передавачем, і реєструють вторинне поле приймачем як наслідок цього впливу.

Основним завданням приладу є виділення слабкого сигналу вторинного поля на тлі сильного сигналу первинного. У приладах, що використовують як збудливого сигналу відеоімпульс (Імпульс без заповнення), це завдання зазвичай вирішують шляхом рознесення в часі імпульсу в передавачі і початку реєстрації сигналу в приймачі.

При впливі на об'єкт короткого потужного імпульсу первинного поля вторинне поле убуває не відразу, а з деяким запізненням, яке залежить від проведеної-

сти та розміру металевого об'єкта. Включивши приймальний тракт з певною затримкою щодо збудливого імпульсу, можна виділити корисний сигнал на тлі сигналу перехідного процесу, а також проігнорувати сигнали від дрібних предметів з певною втратою чутливості до інших об'єктів.

Втрата чутливості залежить від ступеня ігнорування дрібних об'єктів. При повному ігноруванні сигналу від таких предметів, як металеві пробки від пляшок, фольги від упаковки сигарет і дрібних металевих осколків розміром до 25 мм максимальна дальність (глибина) виявлення великих об'єктів може зменшитися в 2 … 3 рази, про що часто замовчується в описах приладів.

Через наявність в імпульсних МІ великої кількості вузлів (формувачів імпульсів синхронізації, вузлів вибірки та накопичення сигналів, потужних ключів і т.д.) схемна реалізація цих приладів дуже складна. Основними труднощами при досягненні високої чутливості є: формування потужного (100-1000 А / м), але короткого імпульсу первинного поля, наслідком чого є велика споживана потужність від джерел живлення (6 … 10 Вт); необхідність роботи приймального тракту в широкій смузі частот (від нуля до декількох десятків кілогерц), що виражається в низької захищеності від індустріальних і радіочастотних перешкод, а також вплив магнітного поля Землі при переміщенні датчика щодо грунту.

Незважаючи на ці труднощі, в окремих промислових застосуваннях імпульсні прилади просто незамінні.

У локаційних МІ з безперервним збудженням (рис.6) ці проблеми стоять менш гостро. По-перше, приймальний тракт приладів з монохромним сигналом первинного поля може працювати у вузькій смузі частот в околиці частоти збудження (f0 ± 20 … 100 Гц) і не вимагає великої інтенсивності первинного поля. Зазвичай використовуються напруженості магнітного поля в межах 10 … 100 А / м. По-друге, виділення слабкого корисного сигналу, на відміну від імпульсних приладів, відбувається без втрат на вході приймача. Справа в тому, що в імпульсних МІ слабкий сигнал вторинного поля пригнічується практично одночасно з моментом дії імпульсу первинного поля через невелику відстань між магнітною антеною і об'єктом на відміну від радіолокаторів повітряних цілей, де відстань між антеною і об'єктом у багато разів більше, і відбитий сигнал з'являється з певною затримкою.

Затримка включення приймального тракту в МІ необхідна для того, щоб сильний заважає сигнал власного перехідного процесу магнітної антени зміг зменшиться до величини, порівнянної з величиною також затухаючого, але з меншою швидкістю, корисного сигналу. Таким чином, ПВЗ фіксує лише залишки сигналу вторинного поля. У одночастинна локаційних МІ корисний сигнал на вхід приймача надходить без ослаблення, а що заважає сигнал первинного поля значно пригнічується. Для цього передавальну і приймальню антени розташовують симетрично

але під взаімноортогональних площинах або компланарність з частковим перекриттям (см.ріс.1, б-д), також можна застосовувати поєднання взаємної ортогональності та перекриття. Слід зазначити, що зустрічається в описах приладів метод індуктивного рівноваги ("індуктивний баланс") є лише одним з багатьох способів компенсації сигналу первинного поля в приймальному тракті МИ, а не характеризує окремий різновид приладів.

Поряд з геометричною можна використовувати і електричну компенсацію у вхідному ланцюзі або в підсилювальної частини приймача.

Локаційні МІ, які використовують монохромний сигнал збудження, працюють у більш низькочастотному діапазоні в порівнянні з параметричними МІ (звичайно 3 … 20 кГц), це значно зменшує паразитне вплив грунту, а також дозволяє знехтувати загасанням сигналу в ньому. Одночастинні локаційні МІ досить економічні, їх потужність споживання знаходиться в межах 0,1 … 0,6 Вт в залежності від чутливості, схемна реалізація в середньому вдвічі простіше, ніж імпульсні МІ.

Застосовуючи в локаційних приладах датчики з розносом між передавальною і приймальною антенами (рис.1, г) на відстань 500 … 1200 мм, можна отримати ігнорування сигналів від дрібних предметів без втрати чутливості для великих об'єктів, що важко при використанні компактних датчиків (рис.1, б, в, д), проте вдосконаленням принципів побудови і методики застосування можна розширити можливості приладів і з цими датчиками.

У радіотехнічної літературі зустрічаються також описи локаційних приладів з використанням радіоімпульсів (імпульси із заповненням синусоїдальним сигналом) для порушення первинного поля. У них використовуються принципи побудови як імпульсних, так і одночастинна локаційних МІ. Такі прилади не мають виражених переваг перед МІ (рис.6 і 7), а скоріше об'єднують їх недоліки: більшу потужність споживання, недостатню перешкодозахищеність, проблематичність ігнорування сигналів від дрібних предметів з використанням компактних датчиків, а складність схемної реалізації не менше, ніж у локаційних приладів, які використовують метод перехідних процесів. Література

1. Карякін Н.І., Бистров К.Н., Кірєєв П.С. Короткий довідник з фізики. -М.: Вища. шк., -1964. -575 С.

2. Белоглазов Н., Александров Ю. Металошукач МІ-2 / / Радіо. -1973. – № 4. -С.47 – 48.

3. Нечаєв І. Універсальний металошукач / / Радіо. -1990 .- № 12. -С.73 – 75.

4. Войцеховський Я. Радіоелектронні іграшки / Пер. з пол. -М.: Сов.радіо. -1979 .- 608 с.

5. Бахмутський В.Ф., Зуєнко Г.І. Індукційні кабелеіска-телі.-М.: Зв'язок. -1970 .- 112с.